谷氨酸棒桿菌是一種重要的工業(yè)微生物菌種，已被廣泛用于氨基酸的工業(yè)發(fā)酵，以及有機(jī)酸、核苷酸和維生素等的生產(chǎn)，具有重要的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值。然而，在谷氨酸、丁二酸以及丙酮酸等酸性生物基化學(xué)品的發(fā)酵生產(chǎn)過程中，谷氨酸棒桿菌時常面臨著低酸環(huán)境的脅迫壓力，嚴(yán)重影響菌株的正常生理狀態(tài)以及相關(guān)目標(biāo)代謝產(chǎn)物的積累。因此，深入探究和解析谷氨酸棒桿菌對低酸脅迫環(huán)境的生理適應(yīng)策略，以期利用這些知識對生產(chǎn)菌株進(jìn)行生理性能改造，提高菌株在酸性脅迫環(huán)境下的存活能力和耐受性，從而充分發(fā)揮其工業(yè)價值，具有重要理論和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

 

　　中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員劉君帶領(lǐng)的微生物生理和代謝工程研究組利用適應(yīng)性進(jìn)化策略篩選獲得了一株谷氨酸棒桿菌耐酸菌株，通過比較分析進(jìn)化菌株與原始菌株的生理特性差異，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)，對進(jìn)化菌株的耐酸機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)果表明，相較于原始菌株，進(jìn)化菌株在低酸脅迫下能更好地保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，同時維持更高的胞內(nèi)pH和較低的胞內(nèi)活性氧水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低酸脅迫下更強(qiáng)的生長和存活能力。通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，與原始菌株相比，在低酸脅迫下進(jìn)化菌株中心代謝途徑中多個關(guān)鍵基因表達(dá)上調(diào)，提示進(jìn)化菌株比原始菌株具有更高的胞內(nèi)代謝活性。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)和鑒定出多個候選抗酸元件，如銅伴侶蛋白Cg1328、細(xì)胞分裂蛋白FtsE/X、脂肪酸合成酶Fas、分子伴侶HscA等。進(jìn)一步研究揭示，KatA-Dps （過氧化氫酶-饑餓誘導(dǎo)DNA保護(hù)蛋白）介導(dǎo)的胞內(nèi)活性氧清除過程和McbR （硫代謝調(diào)控因子）介導(dǎo)的硫元素同化抑制效應(yīng)能夠協(xié)同參與谷氨酸棒桿菌的低酸脅迫耐受應(yīng)答，是影響谷氨酸棒桿菌抗酸生理性能的重要因素，通過表達(dá)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)上述抗酸元件是代謝改造提高菌株抗酸特性的重要靶點(diǎn)之一。該研究將有助于更好地認(rèn)識和理解谷氨酸棒桿菌在低酸脅迫環(huán)境下的生理適應(yīng)策略，對于尋求微生物生理功能最優(yōu)化和目標(biāo)產(chǎn)物積累最大化的工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

 

　　該研究獲得國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金的支持，相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表于Applied Microbiology and Biotechnology 雜志。天津工生所副研究員徐寧和客座研究生呂紅芳為論文共同第一作者，劉君為論文通訊作者。

　　　　谷氨酸棒桿菌抵御酸性脅迫的生理機(jī)理示意圖